Giáo trình động cơ đốt trong 2 - Chương 5 pptx

Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh... Chương 5 TÍNH SỨC BỀN CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG NHÓM THÂN MÁY VÀ NẮP XYLANH Do kết cấu của thân máy và nắp xy

Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh

Chương 5

TÍNH SỨC BỀN CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG NHÓM THÂN MÁY VÀ

NẮP XYLANH

Do kết cấu của thân máy và nắp xylanh phức tạp nên việc xác định lực phân bố trên một tiết diện bất kỳ rất khó khăn Trong thực tế, khi thiết kế chiều dày của thân máy hoặc nắp xylanh, trước tiên thường xét đến tính công nghệ trong gia công chế tạo Nếu đảm bảo chiều dày này thì thân máy và nắp xylanh thường đủ bền Các phép tính về sức bền đối với thân máy và nắp xylanh đều chỉ là gần đúng

I TÍNH SỨC BỀN CỦA LÓT XYLANH

I.1 Xác định chiều dày của xylanh và lót xylanh

Chiều dày của xylanh hoặc lót xylanh có thể xác định qua công thức sau:











2

D p L 2

DL

Trong đó: D – đường kính xylanh (m)

L – chiều dài tính toán khi lót xylanh chịu lực Pz

 – chiều dày của thành xylanh (m)

pz – áp suất lớn nhất trong quá trình cháy (MN/m 2 )

Ứng suất cho phép của xylanh hoặc lót xylanh nằm trong phạm vi sau:

 k 6080 MN/m2600800  2

cm / kG

Nếu thân máy đúc liền với nhiều xylanh thì ứng suất cho phép nên chọn thấp hơn:

 k 4060 MN/m2400600  2

cm / kG

Sở dĩ chọn trị số thấp hơn là vì ứng suất nhiệt trong loại thân máy này rất lớn Đối với loại xylanh hoặc lót xylanh bằng thép

 k 200 MN/m22000  2

cm / kG

Công thức (5-1) thường dùng tính sức bền của loại lót xylanh khô Đối với loại lót xylanh ướt, thành xylanh tương đối dày, xem áp suất pz phân bố đồng đều nên thường tính sức bền theo sau:

- Ứng suất kéo tác dụng trên phương tiếp tuyến ở mặc trong có trị số lớn nhất:

z 2 2 1

2 2 1 max

D D

D D







m /

- Ứng suất kéo hướng tiếp tuyến ở mặt ngoài:

z 2 2 1

2 min

D D

D 2





m /

- Ứng suất kéo hướng kính ở mặt trong:

z max

ky p

m /

- Ứng suất kéo hướng kính ở mặt ngoài:

0

min

ky 

m /

Đối với loại lót xylanh bằng gang hợp kim:

 k 4060 MN/m2400600  2

cm / kG

- Nếu xét đến trạng thái nhiệt, ứng suất nhiệt ở mặt trong của lót xylanh (ứng suất nén) xác định theo công thức sau:

D

D 1 D

D 2 1 ) 1 ( 3

) t t ( E

1

1 n

t tn















m /

- Ứng suất nhiệt trên mặt ngoài của lót xylanh (ứng suất kéo):

D

D 1 D

D 2 ) 1 ( 3

) t t ( E

1

1 n

t tk















Nếu

D

D1  1,1 – ứng suất nhiệt có thể tính theo công thức sau:

) 1 ( 3

) t t ( E

t











m /

Trong đó:  – hệ số giãn nở chiều dài

 Đối với gang hợp kim:  = 10,5.10-6 (1/độ)

 Đối với thép  = 11.10-6 (1/độ)



Hình 5.1 Sơ đồ tính sức bền của lót xylanh



l1

l

II

I

I

D2

D3

Dtb

D

D1

h

a

l2

L

b

Pg

Pg

Pg

PH

PT

Nmax

E – môđun đàn hồi của vật liệu, (MN/m2)

tt; tn – chênh lệch của nhiệt độ mặt trong và mặt ngoài lót xylanh, (khoảng 30o)

 – hệ số Poátxông

Trong thực tế, ứng suất kéo tổng cộng trên mặt

ngoài thường lớn hơn mặt trong Vì vậy thường chỉ cần

tính ứng suất ở mặt ngoài:

tk min





 Ứng suất tổng cho phép đối với gang hợp kim

  80MN/m2; đối với các loại vật liệu khác ứng

suất cho phép thường bằng khoảng 1/5 giới hạn bền

chống kéo Hình (5.2) giới thiệu quan hệ của ứng suất

tổng đối với chiều dày của lót xylanh có đường kính D

= 400mm Từ đồ thị, ta thấy khi lót xylanh có chiều

dày 30mm, ứng suất tổng nhỏ nhất

I.2 Tính sức bền của vai lót xylanh

Khi siết gioăng nắp xylanh, vai lót xylanh chịu lực nén Pg Trị số của lực nén Pg thường nằm

trong phạm vi:

2 f z

g (1,2 1,6)p D

Trong đó: Df – đường kính trung bình của mặt vành bao kín (m)

I.2.1 Ứng suất trên tiết diện I–I

Dời lực Pg về trọng tâm của tiết diện I–I rồi phân Pg thành hai lực PT và PH Khi dời lực Pg, moment (Pg.l) tác dụng uốn vai lót xylanh Ứng suất kéo do lực PH gây ra tại tiết diện I–I bằng:

h D

P m

H k





m /

- Ứng suất cắt tiết diện I–I:

h D

P m

T c





m /

- Ứng suất uốn tiết diện I–I :

6

h D

l P W

l P

2 m g u

g u







m /

Trong đó: Dm – đường kính tính toán của tiết diện I–I (xem sơ đồ trên hình 5.1 )

h – chiều rộng của tiết diện I–I

Ứng suất tổng cộng xác định theo công thức sau:

2 c 2 u



m /

Đối với lót xylanh bằng gang hợp kim ứng suất tổng cho phép:   4080,  2

m / MN

Hình 5.2 Quan hệ của ứng suất

tổng với chiều dày của lót xylanh

, (MN/m2)

, (cm2)

0 2 4 6 8 10 12 14

50

100

k

T



I.2.2 Ứng suất trên tiết diện II–II

Trên tiết diện II–II chỉ cần tính ứng suất cắt do lực Pg gây ra

a D

P

II

g c





m /

Trong đó: DII – đường kính của vành mặt trụ II – II (m)

a – chiều cao của vành mặt trụ II – II (m)

Ứng suất cắt cho phép:  c 40, MN/m2

I.2.3 Ứng suất nén do lực nén P g gây ra

b D

P

f

g n





Trong đó: b – chiều rộng của rãnh bao kín Nếu vai lót xylanh không có rãnh bao kín thì

b bằng chiều rộng của phần vai lót xylanh tiếp xúc với gioăng nắp xylanh

- Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng mềm:

 n 1520 MN/m2150200  2

cm / kG

- Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng bằng đồng:

 n 40 MN/m2400  2

cm / kG

- Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng bằng thép:

 n 100 MN/m21000  2

cm / kG

Ứng suất nén trên mặt tựa phía dưới vai lót xylanh tính theo công thức:

) D D (

P 4 2 3 2 2

g n







m /

Ứng suất cho phép đối với lót xylanh bằng gang hợp kim nằm trong phạm vi :

 n 80100 MN/m28001000  2

cm / kG

II.2.4 Ứng suất uốn do lực ngang N gây ra

) D D ( L 1 , 0

D l l N W

M

4 4 1

1 2 1 max u

u u







m /

- Độ biến dạng khi chịu uốn xác định theo công thức sau:

E J L 3

l l N f

2 2 2 1 max

Trong đó: L – khoảng cách giữa hai điểm tựa của lót xylanh

l1; l2 – khoảng cách từ điểm tựa phía trên và phía dưới tới vị trí xuất hiện lực

ngang lớn nhất Nmax

J – moment quán tính của tiết diện vành khăn có chiều rộng là

2 D

D1

- Ứng suất uốn cho phép nằm trong phạm vi:

 u 20 MN/m2200 kG/cm2

- Độ biến dạng tương đối:

) cm / mm ( , 002 0

Lf 



 (5-18)

I.3 Tính sức bền của mặt bích lắp xylanh

Nếu thân máy thuộc loại xylanh chịu lực như hình 5.3, cần phải tính ứng suất kéo đối với tiết diện ngang xylanh Ứng suất cho phép khi xylanh chịu kéo cũng giống như ứng suất cho phép trong trường hợp tính sức bền của lót xylanh theo công thức (5-1)

- Ứng suất kéo tác dụng trên tiết diện ngang xylanh xác định theo công thức sau:

) D D (

D p

2 2 1

2 z k





m /

Đối với mặt bích lắp xylanh, cần kiểm nghiệm sức bền ở hai tiết diện x–x và y–y (hình 5.3) Tiết diện x–x chịu tác dụng của lực khí thể và moment uốn (Nmax.h)

- Ứng suất uốn:















1

4 4 1 max u

u u

D

D D 32

h N W

M

,  2

m /

- Ứng suất tổng cộng:  u k,  2

m / MN

- Ứng suất tổng cộng cho phép đối với xylanh bằng gang hợp kim:

  100 MN/m21000  2

cm / kG

Hình 5.3 Sơ đồ tính sức bền của mặt bích lắp xylanh

D1

h

x

Nmax

Dy

ly

Y

Y D

Dtb

a

ly

Y

Y

Tiết diện Y–Y chịu uốn

- Ứng suất uốn tính theo công thức sau:

2 1 y

y z u

u u

h D

l P 6 W

M







m /

Nếu chỉ dùng 4 bulông để lắp ghép, mặt bích thường có dạng hình vuông

Ứng suất uốn mặt bích tính theo công thức sau:

2 1

y z u

u u

h a i

l P 6 W

M 



m /

Ứng suất uốn cho phép:

- Đối với xylanh bằng gang hợp kim:  u 40 MN/m2400  2

cm / kG

- Đối với xylanh bằng thép:  u 120 MN/m21200 kG/cm2

II TÍNH SỨC BỀN CỦA BULÔNG LẮP GHÉP XYLANH

Các bulông lắp ghép này chịu lực khí thể Ứng suất kéo bulông xác định theo công thức sau:

f

G F p

k z

k





m /

Trong đó: k – hệ số siết chặt bulông, k = 1,35 ÷ 1,8

G – trọng lượng của thân máy và nắp xylanh (MN)

i – số bulông (hoặc gujông)

F – diện tích đỉnh bulông (m2)

f – tiết diện bé nhất của phần ren trên bulông (hoặc gujông) (m2)

Ứng suất cho phép:

- Đối với bulông (hoặc gujông) bằng thép cacbon:

 k 60 MN/m2600 kG/cm2

- Đối với bulông (hoặc gujông) bằng thép hợp kim

 k 80 MN/m2800  2

cm /

III TÍNH SỨC BỀN CỦA NẮP XYLANH

Ứng suất trong nắp xylanh là do nắp xylanh chịu lực khí thể, lực siết bulông và do trạng thái nhiệt không đồng đều của nắp xylanh sinh ra Sơ đồ tính toán trên hình 5.4, coi nắp xylanh như một nắp tròn đặt tự do trên gối tựa hình trụ có đường kính Df

Áp suất khí thể pz phân bố đều trên diện tích có đường kính D, còn áp suất pbd do lực siết ban đầu Pbđ sinh ra phân bố trên đường tròn có đường kính Df

Tiết diện tính toán thường chọn tiết diện đi qua đường tâm xupap (tiết diện này thường có diện tích nhỏ nhất, tiết diện x – x trên hình 5.4)

Để thuận tiện trong tính toán, ta xem lực khí thể tập trung tại trọng tâm của nửa diện tích có đường kính Df (cách trục x – x một khoảng z =

3

2

f

D

, lực tập trung bằng z

2 f

8

D 2

P   và lực siết chặt bulông tập trung trên trọng tâm của nửa cung tròn có đường kính Dg và Df (cách trục x – x và trục y – y một khoảng



 Dg



 Df

Các lực này có trị số bằng

2

Pbd

và

2

Pf

Khi động cơ không làm việc (Pz = 0), nắp xylanh (loại nắp tròn) chịu mômen sau:







' u

D 2

P D 2

P

bd '

2

P

Khi động cơ làm việc (Pz 0) nắp xylanh chịu mômen uốn:













u

D 3

2 2

P D 2

P D 2

P

Nắp xylanh vuông như hình 5.5b, khi động cơ không làm việc, mômen uốn nắp xylanh bằng:









 









x

D 2

L 2

P 2

D P 4

L P

Khi động cơ làm việc mômen uốn bằng:









"

u

D 3

2 2

P 2

D P 4

L P

Hình 5.4 Sơ đồ tính toán sức bền nắp xylanh



 Dg x



3

2 z



 Df

y

Dg

Df

2

Pf 2

Pf

2

Pbd 2

Pbd

i i

l1

l2

L

l1

l2

- Ứng suất uốn nắp xylanh theo trục x – x:

u

u u

W

M





Do kết cấu của nắp xylanh rất phức tạp nên tính Wu của tiết diện cũng khó chính xác Vì vậy ứng suất ở mặt nóng và mặt nguội của nắp xylanh chẳng những khác nhau về dấu mà còn khác nhau cả về trị số

- Ứng suất kéo ở mặt nguội bằng:

1

1 u 1

u 1

J

l M W

M





- Ứng suất nén ở mặt nóng bằng:

2

2 u 2

u 2

J

l M W

M





Trong đó : Ji – mômen quán tính của tiết diện tính toán đối với trục i – i đi qua trọng tâm

của tiết diện (m4)

l1 và l2 – khoảng cách xa nhất của lớp kim loại trên mặt nguội và mặt nóng đối với trục i – i (m)

Trị số cho phép của ứng suất nằm trong phạm vi sau:

 Đối với nắp xylanh bằng gang: [k]= 50 (MN/m2)

 Đối với nắp xylanh bằng thép: [k]= 80 (MN/m2)

 Đối với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm: [k]= 35 (MN/m2)

Do mặt nóng của nắp xylanh chịu ứng suất tương đối lớn, hơn nữa khi chịu nhiệt, sức bền cơ học của nó bị giảm sút vì vậy khi thiết kế cố gắng hạ thấp trục i–i để giảm ứng suất cho mặt nóng

- Ứng suất nhiệt của mặt nóng xác định theo công thức sau:

 







1 2

t t E

Trong đó: (tn – t1) – nhiệt độ chênh lệch của phía tiếp xúc với khí cháy và phía tiếp xúc

với nước làm mát của mặt nóng

Trị số cho phép của ứng suất tổng nằm trong phạm vi sau:

 Đối với nắp xylanh bằng gang: []= 150 MN/m2

 Đối với nắp xylanh bằng thép: []= 250 MN/m2

 Đối với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm: []= 1000 MN/m2

-